第一章绪论
1.1选题目的和意义
模具是一种少切削、无切削的加工工艺装置，是工业生产的重要工艺设备。在机械、电机、电器、仪表等机电产品中，60%以上的零件是用模具加工成形的;而在电视机、录音机、计算机等电子产品和自行车、手表、电冰箱、洗衣机等轻工产品中的零件采用模具加工成型的分别达到80%以上和85%以上，尤其在汽车、机械、军工等重要的支柱产业中，模具更是至关重要的。因此，高精度、高寿命模具的生产越来越引起世界各国的高度重视。压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的少、无切削特种铸造方法。该方法的生产过程是在高速高压作用下把液态金属射入紧锁的模具型腔内并保压，结晶直至凝固，使原材料变为半成品或成品，所获得的铸件表面粗糙度通常可达Ral25，尺寸精度高(可达2-5级)，机械性能好，生产效率高，是一种精密成型工艺。压铸合金液对模具表面的加速冲刷和局部侵蚀是压铸工业中常见的问题。
模具的腐蚀发生在高温模具的局部区域，这种腐蚀包括合金液与模具表面的反应以及合金元素的扩散，很难加以控制。随着模具寿命的提高，模具受液态合金的熔损粘蚀作用将成为模具失效的主要形式。在模具的使用过程中或在热疲劳失效模具上，几乎都伴随着粘铝或点状腐蚀。因此研究模具钢的耐铝熔损行为和影响因素，探索其失效机理，并通过调整铸钢的合金成分和热处理工艺来改善钢的耐热熔损性能，可以减少模具的热熔损失效，提高铸造模具钢的寿命，具有很高的经济效益。
1.2压铸模具及材料
12.1压铸模具的工况条件
压铸时，熔融金属被高速压射到金属模腔，凝固后可直接形成各种形状复杂的零部件。压铸过程包括五个阶段:倾注、高速注入、高压铸造、铸件顶出、模具冷却和润滑。熔融铝液注入料桶后在活塞的压力作用下被注射进模具型腔，型腔充满速度相当快，一般为0.1秒甚至更短。注射速度一般在40~60r，有时高达20Qm/s。金属在模腔中凝固时所受的压力一般在40-100Pa，加压的目的是为了减少气体缩孔、补偿体积收缩，并提高零件尺寸精度。凝固完毕后模腔打开，顶杆将铸件顶出，由机械手或人工将其取走。小型简单的铝压铸件的整个工艺时间一般为3~6s，大型铝压铸件则需要60-90。
在被注射进模具型腔、以及之后的高压铸造过程中，芯棒、顶杆、型腔等压铸模组件反复与熔融铝液接触，将引起多种物理、化学反应，模具将发生热熔损现象，并导致焊合的产生。“焊合”(soldering)是压铸工业中的术语，它指的是模具与压铸合金之间的反应。模具表面一旦发生焊合，就会生成复杂的Fe-Al金属间化合物相，并在下次压铸循环时在铸件表面造成缺陷。硬质的金属间相还会在模具表面堆积，因此必须中断生产并用抛光的方法除去焊合生成物，这样会导致生产时间的延长、劳动力的浪费，而且还会降低模具寿命。因此，具有高的抗液态金属的粘焊和化学冲蚀损伤渐渐成为热作模具钢的性能指标之一，国内一般以熔化液态金属的熔损来表征。
热裂是热作模具比较常见的失效形式。热裂纹通常在模具型腔表面或内部热应力集中处形成，形成之后，应力重新分布，当裂纹发展到一定长度时，由于塑性应变而产生应力松弛使裂纹停止扩展。随着循环次数的增加，裂纹尖端附近出现一些小空洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂纹继续扩展，最后裂纹间相互连接形成网络状裂纹而导致模具失效。
瑞典Bofors公司在H10钢的基础上加入2.8%的Co研制出一种新型压铸模具钢QRO45，该模具钢具有优良的抗软化性能。在600℃以上，其高温强度比H13钢高。之后瑞典的uddholin公司又相继开发出QRo80M和QRo90suPreme压铸模具钢。与H13钢相比，QRO80M和oRO90suPreme钢含有较低的Cr，同时增大了钢中的Mo含量，从而推迟了高温稳定性较好的MC型碳化物向稳定性较差的M23型碳化物转变，使该钢种具有更为持久的高温强度以及抗热疲劳性能，QR090Surpreme的使用寿命为H13钢的两倍多，被称为上世纪90年代最优异的压铸模具钢。
第二章实验方法
2.1实验用钢
铸造热作模具钢在25kg中频感应电炉中熔炼，采用不氧化法工艺。当钢液温度达到1450℃时，加入铝脱氧出钢。在浇包中预先放入RE等变质剂，采用冲入法对钢液进行孕育变质处理，最后浇注锲型试样。试样经720℃退火后进行粗加工，再经线切割加工制成10x10x3Qmm标准试样。铸造热作模具钢采用1020℃淬火(保温30分钟)，淬火冷却介质为20”机油，冷却后得到马贝复相组织，并有少量残余奥氏体，淬火硬度为47-48HRC。回火温度为440℃或600℃(保温2小时，空冷)。对比H13钢试样采用1040℃淬火(保温30分钟，油冷)，580℃回火(保温2小时)的热处理工艺，淬火硬度为55~60HRC。在热处理工艺中，为防止热作模具钢在淬火和回火时产生脱碳现象，热处理均采用了防高温氧化涂料保护。
2.2耐铝热熔损实验
2.2.1实验装置
钢材热浸铝与压铸过程的模具焊合现象存在着许多类似之处，首先，两者均是在高温下，铝合金熔体与钢材直接相接触而形成的;其次，钢材热浸铝形成的过渡层组织与模具焊合区过渡层的组织类似，主要是由Fe金属间化合物组成的。两者的不同之处是，钢材热浸铝是为了提高钢材的性能，是对钢材进行的表面处理工艺，而模具焊合现象是压铸过程中的一种铸造缺陷。也就是说，钢材热浸铝是人们所需要的，而模具焊合现象则是人们想防止的。由于热浸铝工艺比进行压铸实验既经济又易于进行，因而为了研究铝合金熔体与模具钢间相互作用的过程，本研究在实验室进行了模具钢热浸铝加速实验。
热熔损实验前，采用精度为0.lmg的电子天平测出不同试样的原始质量。热熔损实验时，先在增祸中熔融0.75Kg铝合金，待铝合金完全熔融并达到实验温度后，将经过预热处理的试样均匀固定在自制实验装置内浸入到铝合金液中，在不同温度的铝液中分别热浸不同时间后取出冷却。实验用铝合金中含有部分的氧，这是由于长期存放表面发生了氧化作用以及实验过程中熔融铝液表面与空气中的氧发生了反应，实验所用铝合金成分见表2-2。
第三章 影响铸造热作模具钢耐铝热熔....................... 24-42
3.1 热浸温度和时间对热作模具钢耐....................... 24-31
3.1.1 热作模具钢的熔损失重与热浸时间.......................24-26
3.1.2 热作模具钢热浸铝后的组织形貌....................... 26-31
3.2 合金元素对铸造热作模具钢耐铝热....................... 31-35
3.2.1 Cr元素对铸造热作模具钢耐铝.......................31-33
3.2.2 V元素对铸造热作模具钢耐铝....................... 33-35
3.3 铝液中Si元素对铸造热作模....................... 35-37
3.4 模具钢表面条件对耐铝热熔损....................... 37-41
3.5 本章小结 .......................41-42
第四章 模具钢热浸铝的熔损机理分析 .......................42-51
4.1 模具钢热浸纯铝液的熔损机制 .......................44-46
4.2 模具钢热浸铝硅合金液的熔损机制....................... 46-48
4.3 静态熔损性能分析....................... 48-50
4.4 本章小结 .......................50-51
第五章 新型铸造热作模具钢....................... 51-54
5.1 新型铸造模具钢与H13钢耐铝热....................... 52-53
5.2 本章小结 .......................53-54
结论
1.模具钢热浸铝后其组织由表面层，过渡层和基体三部分组成。其中表面层主要是由实验用铝合金组成;过渡层主要是由Fe-Si金属间化合物及其它一部分合金元素组成;基体则是实验用钢。
2.模具钢热浸铝，其单位面积失重随着热浸温度和热浸时间的增大而增长，其过渡层的厚度增长亦有此规律。相比于热浸热浸时间，热浸温度对铸造模具钢耐铝热熔损性能的影响更大。
3.Cr、V元素对铸造热作模具钢耐铝热熔损性能的影响主要表现为:在热浸温度较低(<750℃)时，Cr含量越高、V含量越低模具钢的耐铝热熔损性能越好。Si可以减弱铝合金熔体与模具钢间的相互作用，从而降低模具钢的焊合倾向性。
4.不同表面条件的试样在热浸铝之后表面出不同的耐铝热熔损性能:按照粗糙面、光滑面、氧化面的顺序，试样的熔损量依次下降，耐铝热熔损性能逐步提高。
5.模具钢热浸铝时Fe的反应是由Fe原子间的扩散驱动的，当试样表面为粗糙面时，试样的耐铝热熔损性能最差;试样表面氧化膜的存在很好的阻止了原子间的扩散，因而具有氧化表面的试样表现出很高的耐铝热熔损性能。
6.根据实验结果设计的新型铸造热作模具钢耐铝热熔损性能在不同热浸状态下均高于工业中广泛使用的H13钢，耐铝热熔损性能优异，具有广泛的应用前景。
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